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大雨点落地快还是小雨点落地快?

时间:2019-06-13 10:01:56  来源:新华网 放大 缩小 默认

  下雨是一种常见的天气现象,雨滴从天而降,重量有大有小。那你是否有过这样的思考:在雨滴落下的过程中,是雨滴越大落得越快还是雨滴越小落得越快呢?

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  对待这个问题,如果从重力与速度之间的关系去分析,大雨点较重,下落速度会比较快;而从空气阻力角度去考虑,大雨滴受到了较大的阻力,则下落的速度会比较慢;但是,如果将雨滴的下落过程与伽利略的自由落体实验联系起来,那么,雨滴下落速度与质量无关,从同一高度落下将会同时落地。到底哪一种说法是正确的呢?

  十六世纪,意大利科学家伽利略做了一个著名的自由落体实验,他在比萨斜塔上同时掷下两个不同重量的铁球,最终两个铁球同时着地。这个实验说明了任意质量的物体在相同高度做自由落体运动时,下落的时间是相同的,与物体质量无关。所谓自由落体运动,即物体只在重力的作用下从静止开始下落的运动。所以,从严格意义上来说,自由落体运动仅存在于真空状态下,需要排除空气阻力的干扰。倘若在非真空状态下,可以将空气阻力忽略不计的话,物体由静止自由下落的运动也可以看作自由落体运动,例如,成熟的苹果从树上掉落到地面。

  那么关键的问题来了,什么情况下可以将空气阻力的影响忽略呢?首先,物体下落的高度不能太高。物体在下落过程中速度越快受到的阻力就越大,空气阻力对物体速度的影响就越明显;再则,物体的重量要较大。重量越轻,物体受到的重力与空气阻力之间的差异便越小,加速度也越小。比萨斜塔的高度只有50多米,且两个铁球的质量都比较大,所以伽利略自由落体实验可以忽略空气阻力,才能让两个铁球同时着地。

  由此我们可以知道,雨滴从云层掉落下来,高度较高,且雨滴的重量也不算大,所以不能将其看作是自由落体运动,空气阻力的影响必须考虑在内。雨滴在下落的过程中受到两个相反方向的作用力,一个是方向向下的重力,另一个是方向向上的空气摩擦力。在雨滴下落初期,重力大于摩擦力,雨滴呈现加速度状态。并且,随着雨滴速度不断增大,摩擦力也同时增大。在下落达到一定速度后,重力和摩擦力相当,雨滴受到的力达到了平衡状态,呈现出匀速状态,此时的速度为最终速度。不管是大雨滴还是小雨滴,从云层坠落的过程中的某个时刻一定会达到匀速状态,以最终速度落地。所以,云层的高度决定雨滴的最终速度只与其自身重量相关,雨滴的重量越大,自身重力则越大,其达到的最终速度就越大。因此,同一高度落下的雨滴,重量较大的会先一步落地。

  雨滴的下落运动并不能被看作是简单的自由落体运动,在整个过程中,其自身重力和空气阻力都是关键影响因素。试想一下,倘若没有了空气阻力的影响,那么,下雨天人们感受到的雨滴的冲击力还会这么轻微吗?

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